CN113655551B - 一种任意色散调控超构表面器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意色散调控超构表面器件，通过对波前相位进行调控，从而实现任意色散调控的功能，其有三部分组成，从下到上依次为适应衬底，ITO到点薄膜，二氧化钛超构表面结构。相比于现有的色散调控超构表面，本发明具有可调控范围广，匹配误差小，自由度高，可适用范围广，调控方便等优点，可以满足，不同波长和不同高度的设计要求。本发明对于超表面的相位调控规律与单个超表面结构单元相位随波长的变化趋势更加相似；本发明整体的匹配误差更小，即超表面不同波长与基础相位之间的相位差值与单个结构不同波长之间的相位差值在不同位置匹配时的整体差值更小，还可以实现任意色散的调控，即正色散，负色散，不规则色散等的调控。

Description

一种任意色散调控超构表面器件

技术领域

本发明涉及一种任意色散调控超构表面器件，属于衍射光学技术领域。

背景技术

色散作为一种光学现象，广泛的存在于各种光学元件中，如手机、照相机、监控、光学显微镜、望远镜等的镜头。在传统的光学元件中，色散指的是在具有正常色散的材料中，折射率随波长的增大而减小，导致不同波长的光束在经过这种材料后会产生不同角度的偏折，这种现象在折射透镜中的具体的体现形式就是不同波长的光的焦点不在同一个位置，而在衍射光学元件中则刚好相反。

对于色散的调控一共有两种方式，一是利用色散的性质，将复色光中不同波长的光分开，从而实现某些特定的功能，如在光谱仪中，可以通过增大色散提高光谱仪的分辨本领，以获得更加详细的光谱信息，这项技术目前已广泛的应用在科学研究、医学、食品等领域的检测中。在光通讯中，可以将载有信息的不同波长的光合成一束在光纤中传输，在有效的降低损耗并提升光纤的信息容量的同时，可以利用增大色散的方法在输出端将光束分解复用。二是减小色差带来影响，如复色光在经过透镜进行聚焦成像时，由于色散的存在，会导致不同波长的光的成像的焦点落在不同的位置，从而产生色差，并降低成像质量。另外在近眼显示镜片的衍射光波导中，由于色散的存在会导致不同波长的光束在波长中传输时的路径不同，从而导致彩虹效应。因此，为了提高成像水平，就需要对色散进行补偿，以减小或消除色差所带来的影响。

综上所述色散的调控为利用色散和消除色散所带来的影响这两个方面，而在更多的领域需要做的是消除色差。天然材料的分散性由他们的电子和分子能级决定，可调性十分有限。传统的光学器件，如望远镜等，需要多组凹凸透镜进行组合，才能消除色散所带来的影响，这样会显得设备十分庞大和复杂，并且对每个环节的制造要求很高、制造成本自然就会更高，也很难根据需求进行定制。但超构表面的自由调控光场的性能可以较好的解决这些问题，并且将一些较新的领域，如柔性电子器件，可穿戴设备等更好的向前推进了，并且使更多的器件向着微型化，多功能化以及集成化的方向发展。因此，开展色散调控的超构表面的相关研究课题对于发展我国精密仪器的研发具有重要的推动意义和价值。

发明内容

本发明的目的是利用超构表面结合对波前相位的调控来实现任意色散的调控。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种任意色散调控超构表面器件的设计及制备方法，其中包括设计和制备两个方面。

基于超表面的色散调控主要通过对波前相位进行调控，从而实现任意色散调控的功能，如图1所示为色散调控的原理图。图中1旁边的线段表示的是不同波长的光束的相位分布情况，图中3旁边的线段表示的是不同波长的光束在进行非线性色散调控后相位的分布情况。本发明通过对不同波长的光束进行不同程度的相位调节来实现任意色散调控的功能。

一种任意色散调控超构表面器件的设计方法，该流程如下：

(1)、研究超构表面光场的相位调控的机制，首先要对偏振敏感和偏振不敏感两种类型的结构的相位调控机制进行研究。

(2)、研究透镜色散分布规律，并主要对透镜的波前相位分布规律进行研究，即得到针对不同波长不同位置上透镜的相位值的大小，并绘制相应的相位分布图，如图2所示为不同波长的波前相位分布图，可以看出，在相同的坐标位置上不同波长的光束有着不同的相位；需要将不同波长的光按照设计的焦点所体现的相位进行补偿，从而达到任意色散调控的目的。通过推导，得到了如公式(1)所示的随着位置的改变所体现的相位的变化规律：

其中：

为相位值，k为波矢，d_λ为光程，λ为波长，r为超表面不同位置处的半径，f为焦距，r_λ为不同波长下调控的值。根据更改焦距f来实现不同波长聚焦时的焦点位置，从而实现任意色散调控。

(3)、根据等效介质理论研究纳米结构等效波导传播相位机制，通过数值仿真方法计算不同纳米结构(如各向同性的圆形纳米柱、方形纳米柱等其它更复杂的结构)的等效波导模式，如图3所示为不同纳米结构单元示意图，所设计的纳米结构单元形状不局限于所列举的这些图形，任何符合要求的形状都可以。随后对单个结构进行参数扫描，得到不同波长下的等效折射率数据库，即各结构形状的结构色散规律，如图4所示为单个纳米结构单元波长与等效折射率关系图。其改变的波长范围为从紫外到可见光再到红外，其整体结构的变化范围为0nm～1000nm，但结构可变化的范围并不限于此，还可以根据设计要求去改变，高度变化范围为0-1500nm，所述高度范围也不限于此，按照设计并可以实现加工的高度均可以，在加工条件允许的情况下还可以继续增加高度。

(4)、对透镜的色散分布进行调控，使其变化规律与纳米结构单元的色散规律想近，并利用色散补偿的方法进行纳米结构单元的匹配，如图5所示为“色散-相位”域分布图，即根据不同位置的不同相位进行

补偿时可能覆盖的范围，斜线表示超表面在不同位置时相位的分布情况。最后生成相应的版图，如图6所示为可进行加工版图的大致示意图。

(5)、对匹配后生成的结构版图进行远场仿真，观察不同波长下焦点的位置，以判断色散调控的结果。如图7所示为部分波长远场仿真结果。

一种任意色散调控超构表面器件的制备流程；

如图16所示为整个器件的结构示意图，其有三部分组成，从下到上依次为适应衬底，ITO到点薄膜，二氧化钛超构表面结构。

制备流程主要分为五步工艺，第一步为旋涂光刻胶，即在选择好的介质衬底上进行光刻胶的旋涂，也可以选择其他方式进行光刻胶的制备，并进行光刻胶的烘烤。第二步为利用光刻的方式进行版图的精准曝光，所述光刻技术包括电子束曝光技术，紫外或者极紫外曝光技术和纳米压印技术，但所述光刻技术不局限于以上列举的这几种。第三步为利用原子层沉积对曝光的位置进行填充，使生成的结构具有很好的陡直性。但对结构进行填充的方法并不局限与此，也可以利用热蒸发以及溅射等方法进行结构的制备。第四步为刻蚀，即将沉积多余的部分进行刻蚀。第五步为去胶，即将除二氧化钛意外的全部光刻胶去除。

所述光刻胶为正型光刻胶包括聚甲基丙烯酸甲酯和ZEP。并不局限于列举的这几种光刻胶。

相比于现有的色散调控超构表面，本发明具有可调控范围广，匹配误差小，自由度高，可适用范围广，调控方便等优点，可以满足，不同波长和不同高度的设计要求，格局具体的加工条件的约束还有不同的方案可供选择。

本发明相对于现有的技术具有如下的优点及效果：

1、本发明对于超表面的相位调控规律与单个超表面结构单元相位随波长的变化趋势更加相似；

2、本发明整体的匹配误差更小，即超表面不同波长与基础相位之间的相位差值与单个结构不同波长之间的相位差值在不同位置匹配时的整体差值更小。

3、本发明可以进行调控的波段更宽。

4、本发明在可以实现消色差功能的基础上，还可以实现任意色散的调控，即正色散，负色散，不规则色散等的调控。

附图说明

图1：色散调控原理图。

图2：不同波长的波前相位分布图。

图3：不同纳米结构单元的示意图。

图4：单个纳米结构单元波长与等效折射率关系图。

图5：“色散-相位”域分布图。

图6：设计结果图。

图7：远场仿真结果图。

图8：制备流程图。

图9：设计流程图。

图10：不同纳米结构单元的示意图。

图11：不同波长的波前相位分布图。

图12：不同波长“色散-相位”域分布图。a.450nm“色散-相位”域分布图；b.450nm“色散-相位”域分布图；c.450nm“色散-相位”域分布图；c.450nm“色散-相位”域分布图。

图13：不同波长的匹配结果图。

图14：加工版图。

图15：验证结果图。

图16：器件结构图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

一种任意色散调控超构表面器件的设计流程主要分为四个部分，图9为其设计流程图。首先对不同纳米结构单元进行设计，如图10所示为不同纳米结构的示意图；第二步为设计不同纳米结构单元得到在不同结构参数下不同波长下体现的相位，并构建结构数据库；第三步为研究其对不同波长的光束响应规律及传递规律，计算出相应的相位分布图，如图7所示为不同波长下随着横坐标增大的相位分布图。本方案中的实施例以450nm，550nm，650nm，750nm，四个波长为例进行设计，焦距分别设计为270μm，300μm，330μm，360μm，并以750nm为基础相位进行计算，首先分别计算450nm，550nm，650nm，波长与750nm波长的相位差，如图12所示，从左到右依次为450nm，550nm，650nm，750nm，的“色散-相位”域分布图；随后将不同结构的相位响应与相位分布图进行一一匹配，如图13所示为不同波长的相位匹配结果，最终得到如图14所示的可以进行加工的版图。

具体设计方案如下：

1、本实施例所扫描的纳米结构单元，有九种不同形状的结构。通过对这九种结构的扫描构成了本实施例的数据库。

2、不同波长的波前相位分布图中，非倒三角图形代表的是不同结构所组成的数据库，图中倒三角图形代表的是不同波长下超透镜的相位分布。

3、将不同结构的相位响应与相位分布图进行一一匹配，在进行匹配时利用最小误差算法将结构体现的相位与所需的相位进行匹配，分别为450nm，550nm，650nm，750nm，四个波长在焦距分别设计为270μm，300μm，330μm，360μm下的匹配结果，最终得到如图2-16所示的可以进行加工的版图。

4、对得到的加工版图进行验证，为远场仿真的验证结构，通过四幅图的焦点位置可以知道，其焦点位置大致符合设计的结果，所以通过验证结果可得知该设计方法可达到预期的正色散调控效果。

一种任意色散调控超构表面器件的具体制备流程，制备流程主要分为五步工艺，第一步为旋涂光刻胶，即在选择好的介质衬底上进行光刻胶的旋涂，也可以选择其他方式进行光刻胶的制备，并进行光刻胶的烘烤。所述光刻胶为正型光刻胶包括聚甲基丙烯酸甲酯和ZEP。并不局限于列举的这几种光刻胶。第二步为利用光刻的方式进行版图的精准曝光，所述光刻技术包括电子束曝光技术，紫外或者极紫外曝光技术和纳米压印技术，但所述光刻技术不局限于以上列举的这几种。第三步为利用原子层沉积对曝光的位置进行填充，使生成的结构具有很好的陡直性。但对结构进行填充的方法并不局限与此，也可以利用热蒸发以及溅射等方法进行结构的制备。第四步为刻蚀，即将沉积多余的部分进行刻蚀。最后一步为去胶，即将除二氧化钛意外的全部光刻胶去除。如图9所示为全部的制备流程。

具体制备方案如下：

S1、涂光刻胶：选择的方案为在已经镀好铬膜的表面进行光刻胶的旋涂，并进行光刻胶的烘烤。所述光刻胶为正型光刻胶为ZEP。所述正型光刻胶的烘烤温度为150℃，烘烤时间为3min。

S2、光刻，按照已经设计好的版图进行曝光，曝光结束后进行显影和定影等一系列操作。选择的光刻方案为技术电子束曝光技术。显影和定影时间分别为1min左右。

S3、利用原子层沉积对曝光的位置进行填充，使生成的结构具有陡直性。

S4、刻蚀，即将沉积多余的部分进行刻蚀。

S5、去胶，利用去胶液将表面的光刻胶去掉，留下好的二氧化钛结构。

S6、本实施例利用紫外固化纳米压印技术将模板上加工好的图形结构转移到AR眼镜的表面。

Claims (3)

1.一种任意色散调控超构表面器件的设计方法，其特征在于：该设计方法的实施流程如下，

（1）、研究超构表面光场的相位调控的机制，首先要对偏振敏感和偏振不敏感两种类型的结构的相位调控机制进行研究；

（2）、研究超构透镜色散分布规律，并对超构透镜的波前相位分布规律进行研究，即得到针对不同波长不同位置上超构透镜的相位值的大小，并绘制相应的相位分布图，不同波长的波前相位分布图中，在相同的坐标位置上不同波长的光束有着不同的相位；将不同波长的光按照设计的焦点所体现的相位进行补偿，从而达到任意色散调控的目的；通过推导，得到如公式（1）所示的随着位置的改变所体现的相位的变化规律：

（1）

其中：

为相位值，k为波矢，

为光程，

为不同的波长，r为超表面不同位置处的半径，f为焦距，

为不同波长下调控的值；根据更改焦距f来实现不同波长聚焦时的焦点位置，从而实现任意色散调控；

根据等效介质理论研究纳米结构等效波导传播相位机制，通过数值仿真方法计算不同纳米结构的等效波导模式；随后对单个结构进行参数扫描，得到不同波长下的等效折射率数据库，即各结构形状的结构色散规律；

（4）、对超构透镜的色散分布进行调控，使其变化规律与纳米结构单元的色散规律相近，并利用色散补偿的方法进行纳米结构单元的匹配，为“色散-相位”域分布图，即根据不同位置的不同相位进行

补偿时可能覆盖的范围，斜线表示超表面在不同位置时相位的分布情况，生成相应的版图；

（5）、对匹配后生成的结构版图进行远场仿真，观察不同波长下焦点的位置，以判断色散调控的结果；

基于该设计方法得到的任意色散调控超构表面器件，从下到上依次为适应衬底、ITO导电薄膜和二氧化钛超构表面结构。

2.根据权利要求1所述的一种任意色散调控超构表面器件的设计方法，其特征在于：任意色散调控超构表面器件的制备流程分为五步工艺，第一步为旋涂光刻胶，即在选择好的介质衬底上进行光刻胶的旋涂，选择其他方式进行光刻胶的制备，并进行光刻胶的烘烤；第二步为利用光刻的方式进行版图的精准曝光，所述光刻包括电子束曝光技术，紫外或者极紫外曝光技术和纳米压印技术；第三步为利用原子层沉积对曝光的位置进行填充，使生成的结构具有陡直性；或者利用热蒸发以及溅射方法进行结构的制备；第四步为刻蚀，即将沉积多余的部分进行刻蚀；第五步为去胶，即将除二氧化钛意外的全部光刻胶去除。

3.根据权利要求2所述的一种任意色散调控超构表面器件的设计方法，其特征在于：所述光刻胶为正型光刻胶包括聚甲基丙烯酸甲酯和ZEP。

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